（化学工程专业论文）聚合反应器浆液浓度和流型的研究.pdf

摘要 浆液浓度和流动模式作为多相流中基本的流体力学参数，对聚合反应器的设 计和操作条件的优化都非常重要。本文运用声发射检测技术对搅拌釜中的浆液浓 度、环管流化床复合反应器中的浆液浓度和流动模式进行了研究。通过研究反应 器壁面颗粒的运动活跃程度，并把声发射信号的特征参数与浆液浓度和流动模式 相关联，实现了聚合反应器中浆液浓度和流型的检测。本论文主要的创新性工作 包括： 1 利用声发射检测技术，结合小波分解以及固体和液体碰撞壁面产生不同频率 的声发射信号机理，建立了搅拌釜中浆液浓度的预测模型e g 模型和r g 模型，模型可以定量描述特征频段的声发射信号的能量值或能量分率值随 浆液浓度和搅拌转速的变化规律。e g 模型适用于搅拌釜中当颗粒完全悬 浮时，近壁上流区的浆液浓度的测定。r c 模型适用于搅拌釜中当颗粒完 全悬浮时，任意位置的浆液浓度的测定，该模型电可以适用于其它体系中浆 液浓度的测定。以水和沙子体系为例，对e c 模型进行验证，模型计算值 与实验值的平均相对误差为7 6 2 。以正己烷和聚乙烯体系为例，对r g 模型进行验汪，模型计算值与实验值的平均相对误差为2 3 4 以工业聚合 反应器中正己烷和聚乙烯体系为例，对月一c 模型进行验证，模型计算值与 实验值的平均相对洪差为4 3 。实验结果表明，声发射检测技术能快速、准 确地实现浆液浓度的在线检测。 2 以水和玻璃珠体系为例，结合小波分解以及固体和液体碰撞壁面产生不同频 率的声发射信号机理，利用声发射检测技术考察了当环管中流速为7m s ， 反应器的表观浆液浓度为o o 1 3 5g c m 。时，环管流化床复合反应器中的声 发射信号与浆液流速和浆液浓度之间的关系。实验发现，频率在1 0k h z 以 上的峰是固体颗粒所产生的信号峰。对声发射信号进行八尺度的小波分解， 取声发射信号特定频段的能量分率值进行分析。实验结果表明，流化床中的 高浓区、环管中的声发射信号特定频段的能量分率值与表观浆液浓度之间均 存在一一对应的函数关系，通过分析声发射信号特定频段的能量分率值，可 以实现浆液浓度的检测。 1 l 3 以水和玻璃珠体系为例，考察了当环管流化床复台反应器的表观浆液浓度为 0 1 5p c m 一，环管中流速为7m s 。1 时，弯管处周向的声发射信号与二次流之 间的关系。实验结果表明，弯管外侧的声发射信号的能量值和特定频段能量 分率值均远高于弯管内侧，这说明弯管外侧的浆液浓度值远高于弯管内侧， 可阱间接证明二次流的存在。 4 以水和玻璃珠体系为例，当环管流化床复合反应器的表观浆液浓度为0 0 3 01 5p c m 一，环管中流速为3 8m s 。1 时，利用摄像法和声发射检测技术验证 了环管流化床复合反应器对大小颗粒的离析。摄像法和声发射检测的结果均 表明，通过控制环管中的流速，环管流化床复合反应器能够很好的实现大小 颗粒的分离。并在此基础上提出了浆液浓度分布参数d 的概念，d 值越大， 表明大小颗粒的分离效果越差。实验结粜表明，对某一特定的颗粒体系，当 流化床中的流速大于小! ；i 颚粒的带i 速度时，流速越火，d 越夫，颗粒的离忻 效果越差。 5 以水和玻璃珠体系为例，当环管流化床复合反应秣的表观浆液浓度为01 5 o c m ，环管中流速为3 7m s 。1 时，利用声发射检测技术测量了环管流化床 剪n 夏应器中的流型。实验发现，流化床中声发射信号沿，卅向的分布是均匀 的沿轴向的分布根据能量的不同存在高低两个区间，而且存在一个最大值， 并据此提出了虚拟料位和密集区的概念。虚拟料位的高度随着液速的增加而 增加，密集区的位置随液速的变化不大，总体上呈减小的趋势。实验还发现 弯管中声发射信号沿周向的分布是不均匀的，直管中声发劓信号沿周向的分 布大体j ：是均匀的；声发射信号的能量值随着浆液流动的方向先减小、后增 大、再减小、最后趋于稳定，可以近似地看作呈对称分布：由于管径的突然 缩小引起的浆液的强烈共混使得上行管中第一点的声发射信号的能量值比 其它点大一 二行管和下行管中声发射信号的能量值处在同一个数量级，在重 力的作用下，上行管中声发射信号的能量平均值略大于下行管中声发射信号 的能量平均值。 关键词：声发射检测，小波分解，浆液浓度，流型，二次流，环管流化床复合 反应器，搅拌釜 a b s t r a c t s l u r r yc o n c e n t r a t i o na n df l o wp a t t e r n ，a st h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h em u l t i p h a s e f l o w , w e r ev e r yi m p o r t a n tt ot h ed e s i g no ft h er e a c t o r sa n dt h eo p t i m i z e do p e r a t i o no f t h ep r o c e s s ，r e l i a b l em e a s u r i n gt e c h n i q u e sa r et h e r e f o r en e e d e da sw e l li na c a d e m i a a s i ni n d u s t r yf o rt h er a t i o n a ld e s c r i p t i o na n dt h ed e s i g no fm u l t i p h a s er e a c t o r s a n o v e la c o u s t i ce m i s s i o n ( a e ) t e c h n i q u ew e r eu s e dt om e a s u r es l u r r yc o n c e n t r a t i o no f t h es t i r r e dt a n ka n dt h el o o pr e a c t o rc o u p l e dw i t haf l u i d i z e db e d ，a n df l o wp a t t e r no f t h el o o pr e a c t o rc o u p l e dw i t hal l u i d i z e db e d s l u r r ys y s t e m sg e n e r a l l yr e l e a s e d v a r i o u sa es i g n a l sc o m p r i s e do fp a r t i c l e p a r t i c l eo rp a r t i c l e c h a m b e rc o l l i s i o n s i m p a c ts o u n d ，p a r t i c l e p a r t i c l e o rp a r t i c l e - c h a m b e rf r i c t i o ns o u n d ，a n dl i q u i d t u r b u l e n c ei nt h er e a c t o r t h e r e f o r e ，m e a s u r e m e n to fa ee n e r g ya n da n a l y s i sc o u l d r e f l e c tt h es l u r r yc o n c e n t r a t i o na n df l o wp a t t e r ni nr e a c t o r s t h ei n n o v a t i v er e s u l t s c o u l db es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： lt w om o d e l so ft h es l u r r yc o n c e n t r a t i o ni nas t i r r e dv e s s e l ，e - - gm o d e la n dr - - c sm o d e l ，w a sp r o p o s e dt oe x p l o r et h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e na e e n e r g y ，s t i r r i n gr a t e ，a n ds l u r r yc o n c e n t r a t i o n ，b yu s eo fw a v e l e tt r a n s f o r m ，o n b a s i so ft h em e c h a n i s mt h a ta es i g n a l sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c i e se m i t t e dw h e n s o l i da n dl i q u i di m p a c t e dw i t ht h ew a l lt h ee - - c sm o d e la p p l i e dt ob em e a s u r e d o nt h eu p p e rp a r to ft h et a n kw a l l ，w h e nt h es t i r r i n gr a t ew a sg e a t e rt h a nt h e c r i t i c a ls t i r r i n gr a t e t h er gm o d e la p p l i e dt ob em e a s u r e do ne v e r y w h e r eo f t h et a n kw a l l ，w h e nt h es t i r r i n gr a t ew a sg r e a t e rt h a nt h ec r i t i c a ls t i r r i n gr a t ea e s i g n a l sw e r ea n a l y z e db yu s i n go f8s c a l e sw a v e l e tt r a n s f o r mw h e nt h es t i r r i n g r a t ew a sg r e a t e rt h a nt h ec r i t i c a ls t i r r i n gr a t e b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e m o d e lp a r a m e t e r sw e r ee s t i m a t e d t a k et h ec a s eo fw a t e ra n ds a n d ss l u r r ys y s t e m ， t h ea v e r a g ea b s o l u t er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dv a l u e sa n dt h ea c t u a l v a l e so ft h es l u r r yc o n c e n t r a t i o nw a s7 6 2 t a k eh e x a n ea n dp o l y e t h y l e n es l u r r y s y s t e m a sa n o t h e re x a m p l e ，t h ea v e r a g ea b s o l u t er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h e c a l c u l a t e dv a l u e sa n dt h ea c t u a lv a l e so f t h es l u r r yc o n c e n t r a t i o nw a s2 3 4 t a k e i v h e x a n ea n dp o l y e t h y l e n es l u r r ys y s t e mi nt h es t i r r e dv e s s e lo fc xp o l y e t h y l e n e t e c h n i q u ef o ra c c o u n t ，t h ea v e r a g ea b s o l u t er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h ec a l c u l a t e d v a l u e sa n dt h ea c t u a lv a l e so ft h es l u r r yc o n c e n t r a t i o nw a s4 3 t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h i sm o d e lc o u l dp r e d i c tt h es l u r r yc o n c e n t r a t i o nw i t hf a i r l yg o o d a c c u r a c y 2 s l u r r yc o n c e n t r a t i o ni n t h e l o o pr e a c t o rc o u p l e dw i t haf l u i d i z e db e dw a s m e a s u r e dw i t ht h eu s eo fa et e c h n i q u et h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tf r e q u e n c i e s o fa c o u s t i ce m i s s i o ne u r i t t e db yt h ep a r t i c l e c h a m b e rc o l l i s i o n sw e r eg r e a t e rt h a n 10k h z a es i g n a l sw e r ea n a l y z e db yu s i n go f8s c a l e sw a v e l e tt r a n s f o r m t h e e n e r g yr a t i oi ns p e c i a lf r e q u e n c ys p e c t r u m ( r ) i n c r e a s e dm o n o t o n i c a l l yw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ea p p a r e n ts l u r r yc o k 、e n t r a t i o ni nt h eh i g hc o n s i s t e n c ys t o c ka r e ao f t h ef l u i d i z e db e da n dt h el o o p t h cr e s u h ss h o w e dt h a tt h es l u r r yc o n c e n t l a t i o n c o u l db em e a s m e db ya n e , i y z i n g 凡 3t h es y s t e mo rw a t e ra n db e a d i n g sw a su s e da sa ne x a n t p l ea n di n v e s t i g a t e du n d e r t h es l u r r yc o n c e n t r a t i o na to 1 5g o c m 3a n da tt h ev e l o c i t y7i i l s 。i nt h el o o p s e c o n d a r yf l o wi nt h eb e n do ft h el o o pw a s v e r i f i e db ya et e c h n i q u e t h ee n e r g y a n de n e r g yr a t i o i ns p e c i a lf r e q u e n c ys p e c t r u mw e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h e a p p a r e n ts l u r r yc o n c e n t r a t i o n t h ee n e r g yo re n e r g y r a t i o n0 2 1 t h eo u t b o a r dw e r e m u c hg r e a t e rt h a nt h a to nt h ei n b o a r d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts e c o n d a r yf l o wi n t h eb e n do f t h el o o pr e a l l ye x i s t e d 4 f i r es y s t e mo fw a t e ra n db e a d i n g sw a su s e da sa ne x a m p l ea n di n v e s t i g a t e dt m d e r t h es l u r r yc o n c e n t r a t i o nr a n g e df r o mo 0 3t o0 15 铲c m 。a n dt h ev e l o c i t yr a n g e d f r o m3t o7m s i nt h el o o p s i z e s e p a r a t i o no fp a r t i c l e si nt h el o o pr e a c t o r c o u p l e dw i t haf l u i d i z e db e dw a sm e a s u r e dw i t ht h eu s eo f a et e c l m i q u ea n d p h o t o g a p h ya et e c h n i q u es h o w e dt h ec o n s i s t e n tr e s u l t sw i t ht h ep h o t o g r a p h y t h a t p a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n ts i z ec o u l db es e p a r a t e dw e l l i nt h el o o pr e a c t o r c o u p l e dw i t haf l u i d i z e db e db yc o n t r o l l i n gt h es p e e do ft h es l u r r yi nt h el o o p - a n dt h ed i s t r i b u t i o ne f f i c i e n c y ( d ) w a sd e f i n e dt oc h a r a c t e r i z et h es i z es e p a r a t i o n i nt h er e a c t o rt h er e s u l t ss h o w e dt h a tdj n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs l u r r y v e o c i t yi nt h el o o p v 5d i s t r i b u t i o n so ft h ea c o u s t i ce m i s s i o ni nt h ea x i a ld i r e c t i o na n dt h er a d i a l d i r e c t i o ni nf l u i d i z e db e da n dl o o pw e r em e a s u r e d ，u n d e rt h ea p p a r e n ts l u r r y c o n c e n t r a t i o nw a s0 15g c m 3a n da tt h es t i r r i n gr a t e sr a n g e df r o m3t o 7m s i t w a sf o u n dt h a tt h ea c o u s t i ce m i s s i o nd i s t r i b u t e de v e n l ya l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o n i nf l u i d i z e db e da n dl o o pe x c e p tt h eb e n do ft h el o o p ，a n du n e v e n l ya l o n gt h e a x i a ld i r e c t i o ni nf l a i d i z e db e da n dl o o p t h e r ew e r eap a r t i c l el e v e la n dah i g h c o n s i s t e n c ys t o c ka r e ai nt h ef l u i d i z e db e d ，a st h ee n e r g yo fa c o u s t i ce m i s s i o n c o u l db ed i v i d e di n t ot w os e c t i o nw i t hd i f f e r e n ts i z ea n dt h e r ew a sam a x i m a l v a l u e t h ep a r t i c l el e v e li n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs l u r r yv e l o c i t y , a n dt h e h i g hc o n s i s t e n c ys t o c k - a r e ad e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fs l u r r yv e l o c i t y d i s t r i b u t i o no ft h ea c o u s t i ce m i s s i o ne n e r g ya l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o ni nl o o pw e r e s i m i l a r l ys y m m e t r i cd i s t r i b u t i o n , t h ee n e r g yo ft h ef i r s tp o i n ti nt h ea s c e n d i n g t u b ew a sg r e a t e rt h e no t h e r s ，a n do r d e ro fa ee n e r g ym a g n i t u d ei nt h ea s c e n d i n g t u b ew a st h es a m ea si nt h ed e s c e n d i n gt u b e ，b u tt h ea v e r a g ea ee n e r g yi nt h e a s c e n d i n gt u b ew a sg r e a t e rt h a nt h a ti nt h ed e s c e n d i n gt u b e k e y w o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ，w a v e l e tt r m l s t b r m ，s l u r r yc o n c e n t r a t i o n ，f l o wp a t t e r n ， s e c o n d a r yf l o w , l o o pr e a c t o rc o u p l e dw i t hf l u i d i z e db e d ：s t i r r e dv e s s e l v 1 塑垩查兰璧圭兰丝笙墨! ! ! ! 墅 一 一 第一章绪论 浆液浓度和流动模式作为多相流中基本的流体力学参数，对聚合反应器的 设计和操佟条件的选择郄非掌重要。例强本体法聚丽浠的生产过程中，液媚反 应釜中浆液浓度的控翩菲常重要。这是因为在不改变设备帮流稷豹情况下，适 当增大浆液浓度，可以提高装置负荷，降低能耗和物耗。但是，随着浆液浓殿 的增加，装液传热速率迅速下降，聚合反应热增加，容易引越缎块，甚至发生 “暴聚”臻放。到舀前为止都没有建立起能够适应工艺控制要求的浆媛浓度的 检测方法峨因而，建立一种适应工艺控制要求的，能实时、在线、准确地实 现浆滚浓度捡溅纛| 盗控的方法，藏具有很强的现实意义。 颗粒的流动模式，简称流型，是流态化最基本静闽题之。由于操作者无 法直接获得工业聚合反应器中颗粒的流动状况 ”。迄今为止，流化床流型的研 究都限予数学模拟和理论霰定。另铃，在多提滚反应爨的设诗过程中，现有驰 流体力学模拟软件并不能对流场进行非常精确的描述，通常都浠露一些诸如流 体力学、质量传递、热髓传递等的经验关联式。而这些经验关联式大多是在菜 一蒋定懿涟型下测季譬躲。困此，准确媳测定多耀溅豹淡动模式就是褥缀重要”。 针对上述问题，本文以具有简单快捷、实喇在线、安全环保、非接触式、 多功能性和适应各种恶劣外部环境特点的声发射技术为手段，测定聚合反应器 不同经嚣弱浆滚浓度，遴两撼示蒙食反应器内数浓度分_ 毒鞠瀛动模式( 瑟鬏粒 的运动揽律) ，为最终攀握聚合反应嚣的设计规律和操作特性，优化操作和设计 提供坚实的理论基础。 聚爝烃工监经过运拳个世纪熬发震，已经开发寤多静二 艺路线，焉其中黑 到的聚合反应器主要有三种：釜式反应器、环管反应器和流化庶反应器。本文 为了进一步提高环管反应器中的浆液浓度，增加时空收率，减少能耗，提出了 一耱环管滚 ；二床复合爱应爨隧，并逡段繇营流讫凑复合反应嚣秘淤浆揽搀釜反 应器作为研究对象，测定了其中的浆液浓度和流裂。 综上所述，本论文主要涉及实验室装置及工业装置中搅拌黛中浆液浓度的 实验疆究，环管漉讫床复合反应嚣戆浚诗及骂警滚诧康复台反应器孛浆滚浓度 和流型的实验研究。与之相适应，本论文研究工作的撰写主要分为四部分：第 聚台反应器中浆液浓度和流型的研究 三童 实验装置及设计( 包括环管流化床复合反应器的设计) ；第四章搅拌釜 中浆液浓度的检测：第五章环管流化床复合反应器中浆液浓度的检测；第六 章环管流化床复合反应器中流型的检测。 参考文献 d i n gj i a ns t u d yo l ld c t e m l i n a t i o t lo fp o l y p r o p y l e n es l u r r yc o n c e n t r a t i o na n di t si n f l u e n t i a lf a c t o r s c h i n a s y n t h e t i cr e s t na n dp l m t l c x2 0 0 0 17 ( 1 ) ：3 2 - 3 4 【2 】z h a n g ，y u f e n g ，h a m i d ，a r n s t o o p o u r , d i l u t ef l u i d i z e dc r a c k i n gc a t a l y s tp a r t i c l e s g a sf l o wb e h a v i o ri nt h e r i s c lo f ac ir c u l a t i n gf l u i d i z e db e dp o w d e rt e c h n o l o w1 9 9 5 ，8 4 ( 3 ) ：2 2 1 - 2 2 9 【3 c h l i s t o p h eb o y cr a n n e 一、 a r i ed u q u e n n e ，g a b r i e lw i l dm e a s u r i n gt e c h n i q u e si ng a s l i q u i da n d g a s l i q u i d s o l i dr e a c t o r sc h e m i c a le n g i n e e r i n gs c i e n c e2 0 0 25 7 ：318 5 3 2l5 f 4 1 鼓正梁王靖岱刖承荣一种烯烃聚合反应器c n 2 0 0 6 1 0 0 4 9 5 9 89 浙江丈举硕士掌位论文( 2 0 0 6 ) 第二章文献综述 第鬻指出了聚合反应器中浆液浓度和流型梭测的重要性。本章主要是对 液圆体惹中浆滚浓度和流型的现有梭测方法进行了综述，介缓了声发射检测技 术的发艟历史、声信号的分橱方法及箕在化工领域中的应用，并提甾了声发射 检测技术在液固体系中的浆液浓度和流型检测中应用的可能性。 2 。王浆滚浓度蔚检测方法 用浆液输送固体颗粒在化二亡、食品等领域有潜广泛的应用。如何快速、准 确、方缓越煞实褒颗粒浓度熬硷测是实褒经济搽 乍瞧关毽。比籀说当警遭孛戆颞 粒浓度太高的时候，过多的沉降或沉淀可能会堵塞管道，导致停车清理。通常 说来，浆的操作费用怒成本核算中考虑的一个重鼹因素，在保证刁；堵塞管道的 蓦嚣下以尽可缝赢的浓菠送行援佟，霹隧大大羹曩节终成本。嚣诧，浆滚滚发瓣 检测就成为实现最优化操作的一个必强前提条件”t 。 浆液浓度的检测方法有很多，例如射线衰减法、微波法、摄像法、电容法、 电导法、激光多蓄魏法、巍鼗袈法、透竞赫动法、压差法、浮刃法、电磁法、 超声波法、声发射法等等。下面对这些方法分别进行介绍。 2 。1 1 射线衰减滋 射线衰减法测量棚浓度的原理怒：辐射源放出的射线穿过任何物体时，其衰 减程度与干扰介质的密度存在一个敷接的函数关系；当干扰介质是多相流体系 ( 灏麴滚露体系) 露，箕奎菠与各稳俸狡分率袋线往关系；霾诧，逶过硷溺瓣线 的衰减程度就可以重构出多相流中的各相体积分率。 r e i c b w e i nd a v i d l 2 1 等人利用：j 射线检测管道中浆液的浓度。在一段很短的骚虞 营i 耄中，安装在管道下方憝旅象源敞舞，葑线，漤辅| 鼋穿过警道磊棱上方豹镶牧 器所接收。根据这个过程中y 射线的液减程度就可以计算出管道中浆液的浓度。 k u m a r 【3 】) n c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 技术测爨了实验室规模的多相流反应器 中醵穗含率。r o y 4 1 等入对k u m a r 麓实验装置迸萼亍了改进，剩鲻c t 技拳对滚霾撬 升管中的时均圆体颗粒浓度进行了测量。c t 技术测蠡装置的剖谳图如图2 i 所示， 聚合反应器中浆液浓度和流型的研究 放射源发出的射线经过校准后穿过待测的反应器，再经过校准后被多个接收器接 收，利用接收到的衰减信号来表征反应器中的相含率。其关键在于数据分析和信 号重构算法的选择。r d y 通过实验发现，提升管中颗粒浓度的分布是均一的，只 是在管壁上有少量颗粒的堆积，通过对三个水平面上的断层扫描，并没有发现颗 粒浓度沿轴向有明显的变化。 图2 1c t 技术测量装置的剖面图 射线衰减法已经在矿业生产、石油化工等领域得到了广泛的应用，现在市面 上可以买到许多不同厂家生产的不同品牌的放射性密度浓度计。例如北京市北斗 星工业化学研究所提供d s t 6 3 3 0 7 射线密度汁和：l e 京通尼科技有限公司提供的 l a 4 4 4 密度浓度计，用_ f 管道及容器中的液体或散状物料的非接触、连续测量， 可以很容易地安装在已有管道上，不需停工，可重复测量，不受被测物的颜色、 温度、压力或化学性质的影响，基本无需维护，即使在极端环境条件下也能使用。 射线衰减法测量的最大问题f 1 是如果射线辐射断面上的流体各相分布不均 匀，将会引起较大的测量误差。这是由于射线束的截面积有限，它只能测到两相 流体在管道截面的一条弦上的相平均浓度。为了解决这个问题，可以用一束射线 沿断面方向进行扫描，也可以用一个射线源发出多束射线，再用同样数目的检测 器分别检测，如图2 1 所示。另外，放射性射线会对人体造成伤害，存在一定的 安全隐患。 一塑坚查兰塑主兰堕笙壅堡! ! 塑 2 1 2 微波法 微波法根据微波衰减原理进行颗粒浓度的测量。微波水分测量系统就是根 据微波技术的原理，当微波穿过待测物时，强度和传播速度受自由水分子的影 响，导致微波强度的减弱( 衰减) 和速度的降低( 相移) 。衰减和相移的程度与 待测物料中水分的含量直接相关。通过测定浆液中水份的含量可以间接地算出 固体颗粒的含量。 张开瑜i 等人利用微波技术测量了纺织工业中的浆液浓度，并对其应用前景 作了论述。 b e r t h o d 公司开发了种名为m i c r o f l u i d l b4 5 5 的微波在线浓度测量系统， 可以在线测量液体、泥浆、悬浮液等物料的1 l 农度。浚仪器的测量系统如图2 - 2 所示。流动池( n o wc o l l ) 用不锈钢制成，最好安装在垂直管道上。管道内物料向 上流动，压力为正压。主机单元2 安装在流动池附近，通过测量电缆3 和参考 电缆4 与流动池相连接，构成个回路。参考电缆的信号用于对测量信号进行 补偿。 微波法测量结果不受待测浆液中颗粒性质的影响，能够实时在线地实现无 损检测。但是，微波法只对强极性的物质( 例如水) 比较敏感，这就大大限制 了它的适用范围。 图2 - 2m i c r o f l u i dl b4 5 5 微波测量系统 聚台反应器中浆液浓度和流型的研究 2 1 3c c d 摄像法 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 目 1 电荷耦合器件是一种新型的固体成像器件， 其突出特点是以电荷作为信号，其功能是把二维光学信号变成一维视频信号，并 经监视器同步显示出一幅人眼可见的图像。c c d 贝, o 量系统由c c d 摄像机、c a c 5 4 0 真彩色图像卡、监视器、计算机和软件组成。用c c d 摄像机摄取图像，进 行图像采集、储存处理与分析。通过监视器可以同步观察到摄像机摄取的图像。 图像处理的基本原理是根据液相与固相的灰度值的不同，将背景与固体粒子分 开。这种新型光电成像器件于1 9 7 0 年首先在美国研制成功。由于它具有灵敏感度 高、分辨率高、具有理想的“扫描”线性和数字扫描能力、体积小和成本低廉等 优点，因而得到了较为广泛的应用。 c h e n 7 1 等人开发了颗粒图像处理系统，刈汽液圃三相流化床中的颗粒浓度分 布进行了研究，经计算机图像处理系统进行分析，司以得到低浓度下的颗粒浓度 分布， 姜峰吣9 1 等人开发了适用于液固两相流动体系的电荷耦合器件f c ( 、d ) 测量系 统，对液固循环流化床换热器及蒸发器中的固体颗粒浓度和颗粒速度进行了研 究，该系统可在高空隙率和较宽液速范围内准确测量固体颗粒的速度与浓度。测 量的颗粒最高速度为1 5m - s 。但是该文所研究的颗粒体系的固体颗粒浓度很低， 最高只有2 。 研究文献表明，c c d 测量系统目前只能测量低浓度和低速度体系中的颗粒 运动，而且测量对象必须是透明的。 2 1 4 电容法i 电容法的测量原理是：由于多相流体系中各分相具有不同的介电常数，当 流体通过电容极板间所形成的检测场时，相浓度的变化就会引起流体介电常数 的改变，从而使得传感器的电容输出值随之改变因此电容值的大小可以作为 两相流相浓度的量度。电容法在实际应用过程中也存在很多问题，首先，相浓 度引起的电容值的变化很小，要使电容传感器有很高的分辨率，传感器必须有 较强的抗杂散电容的能力；其次，实际的两相流动中，流型变化很复杂，电容 测量1 直与相浓度值之间的关系难以用解析式表达；再次，多相流相分布的不均 6 浙江大学硕士学位论文( 2 0 0 6 1 匀性对电容测量的灵敏度影响很大。上述原因使得电容传感器的研究目前仍处 在实验室研究阶段。 针对电容法存在的问题，目前的研究主要集中在电容传感器和测量方法的 改进上。其中值得一提的是电容层析成像技术，它可以把管道上两相流体的流 动状况直接表示出来，进而求出相含量。但是该方法目前还不成熟，如何解决 图像处理过程中的滞后问题是实现在线检测的关键所在。 2 1 5电导法 h o l d i c h “1 等人利用电极测量了导电流体中多利t 固体颗粒的浓度。其测量原理 是导电浆液的电导率与浆液浓度之间存在某一对应的函数关系。测量过程中把两 个电极安装在管道中同一个截面上，两者之间的角度为1 8 0 。实验中电极的制造、 安装位置、电极与被测容器壁面的吻合程度、电场强度都会对测量结果产生很大 的影响，测量结果的重现性很差。而且文中并没有涉及大管径高浓度的浆液中固 体颗粒浓度的检测【1 2 1 。 k l a u s n e r ”1 等人发明了一种利用电极测量绝缘管道中浆液体积浓度的装置和 方法。他们利用浆液的导电性来测量浆液的体积浓度，其装置如图2 3 所示。在 管道上的某个截面沿径向均匀地布置很多电极，如图中3 2 所示。从相邻两个电极 测得的电导率可以计算得到这两个电极之间浆液的局部体积浓度，把所有的局部 体积浓度进行平均后就可以得到平均体积浓度。电极也可以安装在水平管道上， 如图中4 2 所示。该装置可以用于大管径高浓度浆液中固体颗粒含量的检测。 图2 - 3电极法测量绝缘管道中的浆液浓度 聚台反应器中浆液浓度和流型的研究 2 1 6 激光多普勒法 激光多普勒测速是一种不接触流场的 ! l 量技术，具有不干扰流场，测点分辨 率高等优点。自从1 9 6 4 年y e h s f 1 c u m m i n s 首次利用激光多普勒技术成功测得管流 层速度分布以来激光多普勒技术得到了迅速的发展和广泛的应用，并在颗粒流 体两相流的研究中发挥着越来越重要的作用 1 3 。 激光多普勒法测量两相流动的基本原理是通过对跟踪微粒和颗粒产生的多 普勒信号的区分，分别测量微粒的速度( 用能追随流体运动的微粒的速度表征液 体相的速度) 和颗粒的速度。用激光多普勒技术分相研究两相流动的关键是区分 能表征流体运动的微粒的速度与不能追随流体的大颗粒的速度。这就必须判别每 一多普勒信号是产生于微睫还是颗粒1 。 孙崮刚和李静海【l3 j 对激光多普勒流动测量技术在颗粒流体两相流中的应用 进行了综述。文中指出激光多普勒测速仪( l d v ) * 8 激光相位多普勒粒了分析仪 ( p d p a ) 都是根据运动粒子的光渺j t 效应来进行测量的。文中进步指出分散相粒 予的数量：密度、体积流率、体积浓度等参数用l d v p d p a 也能测量 _ l s j ，因为粒子 到达：。量体的速率是直接与粒予浓度有关的。由于种种因素的影响，激光多普勒 技术测量粒子浓度只适用于很低浓度的体系，且通常只能得到绝对浓度的一个粗 略值。s a f f m a n 1 6 1 等曾估计用激光多普勒测量粒子浓度的精度最多只有2 5 左右。 刘青泉4 j 利用激光多普勒分相测试技术测量了水平矩形管中两相速度、纵向 及垂向推流强度，以及泥沙浓度。他所采用的测量系统如图2 4 所示。由光电倍 增管输出的原始信号先输送到预处理器。该预处理器的作用是把测量速度的有效 信号成份，经高、低通滤波以后的多普勒波群信号分成两路：一路是由微粒产生 的信号，另一路是由颗粒产生的信号。然后通过分时处理器，交替：降微粒和颗粒 产生的信号输送给计数型信号处理器，分别测量这两路信号的频率。用计算机与 之配合，按预先设定的采样集合宽度进行数据采集和计算各种统计量，如两相的 速度平均值、速度脉动均方根值，以及相对湍流度等。利用计数型处理器，还可 对颗粒产生的多普勒信号所代表的颗粒数进行统计，并结合测得的流速和激光束 的测量面积，得到单位水体内所含颗粒的数目，从而得到颗粒的数密度( 浓度) 值。 值得指出的是，利用该技术得到的颗粒浓度只是一个相对值。 浙大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 商量体叔 大粒子信号l 预处理器i 微 jj 统计数据：分时处理器 相速度 眄珀嘉 速度脉动r m 暇 端流度 信号 图2 4激光多普勒分相测量技术的测量系统示意图 刘大有等人利用激光多普勒分相测试技术测量了液固两相自下而上通过 竖直矩形管时的时均速度、流向、横向的脉动强度和颗粒相的相对浓度分布，证 实了颗粒浓度的横向分布主要取决于颗粒的横向脉动强度分布的分析结果。 2 。1 7 光散射法 郑志受”1 等人发明了一种激光光纤纸浆浓度测控仪，该仪器通过测量向后 散射光强的大小来确定纸浆浓度。它由光纤传感器和信号处理单元两部分组成， 其中光纤传感器包括光纤探头、通过发射光纤与光纤探头连接的光源和通过接 收光纤与光纤探头连接的探测器，信号处理单元接收、处理所述光纤传感器的 输出信号，并根据预定的纸浆浓度和处理后的电信号的对应关系求出待测纸浆 浓度。 2 1 8 透光脉动法 透光脉动法主要用于悬浊液中固体颗粒浓度的检测。g r e g o r y * l l n e l s o n 1 9 1 首次 发现悬浊液透光率脉动值与颗粒的粒径有关，并就相关关系进行了解析。透光脉 动法的基本原理是2 0 ：当一束狭窄的光束照射流动的悬浊液时，透射光强由光电 管接收并转化成电压信号。光路中颗粒的存在使光产生散射或吸收，导致光强度 减弱。由于光路内